TW200907068A - Apparatus and method for molecule detection using nanopores - Google Patents

Description

200907068 九、發明說明： c發明所屬之技術領域3 發明領域 本發明關於用於例如聚合物分子之分子的檢測之裝 5 置及方法。本發明特別關於例如使用於檢測奈DNA核苷酸 單體之奈米孔分子檢測器。 【先前技術3 發明背景 DNA為由二分子股所組成的雙螺旋體。每一股是形成 10 腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)及鳥嘌呤(G)四種核苷 酸之鏈的形式。此等核苷酸之順序或序列編碼任何生命有 機體之代謝及繁殖的所有訊息。在人類中，每一 DNA股係 由超過3億個核苷酸所組成。 由基礎研究的觀點，瞭解物種之DNA序列是令人感 15 興趣的，但亦提供醫藥上許多可能性，例如疾病之早期檢 測及新疫苗及藥物之發展。個人之DNA指紋檢測已成為犯 罪學之一標準技術。隨著此等許多應用，DNA定序，亦即 測定DNA股中的核苷酸次序，已成為儀器製造商以及服務 業者的大市場。 20 鏈鎖終止法（由F. Sanger所發展）為DNA定序之既 有技術。最近已提出二種新技術，“焦磷酸定序”及“454 定序”（來自454公司）。儘管樣品製備及檢測之主要差異 (鏈鎖終止作用使用DNA片段分離及染料或放射活性標 籤之電泳，而焦磷酸定序及454定序係以當核苷酸在複製 5 200907068 期間結合入DNA股時之化學螢光酶反應為主），所有技術 仰賴利用聚合酶鏈鎖反應（PCR)之DNA初始量的放大作 用。再者，該等技術在定序過程本身亦使用PCR。 因此，鏈鎖終止作用、焦磷酸定序及454定序皆受到 5 PCR限制的影響（例如黏合至第二位址之引子、RNA污染 作為引子，與DNA二級結構有關連之讀取問題）。由於此 等及其他約束，以鏈鎖終止法為基礎之定序機可檢測最大 量約1000個核苷酸，以及454定序僅可檢測約1〇〇個核苷 酸。當基因體組合模糊不明時，此對於全基因體組合有嚴 10 重的缺點，尤其是高度重複之基因體。由在特定溫度一之 循環步驟，PCR亦為相當缓慢的方法，且需要大量（昂貴 的）化學品。 替代定序技術在大學及業界被密集地研究，目標是不 仰賴PCR。然而，目前無人產生良好的結果。 15 奈米孔定序為最為人喜愛之新技術中之一，例如描述 於 US20050102721(A1)及 US20030104428(A1)中者。 藉由電泳，將DNA分子抽拉通過直徑約數奈米之薄 孔（在絕大部分實驗使用固態孔，但亦已研究出脂雙層中 的跨膜蛋白質）。 2〇 第1圖顯示傳統奈米孔定序之基本操作原理。 通過膜之偏壓造成離子流經界於二含離子溶液之間 的奈米孔12。藉由抽拉DNA之聚合物14通過奈米孔，通 過的離子數目減少，以及檢測到電流的改變。 理想上，DNA —次通過一核甘酸地通過孔，每一核苷 200907068 酸以獨特方式阻斷通過孔之電流。電流讀數的順序直接代 表DNA序列。為了達到精確’孔的直徑必須非常小（約為 一核苷酸之尺寸），以致於單一核苷酸可阻斷電流以及其必 須薄至確保訊號是由單一核苷酸而非數個核苷酸所調整。 5 EP1486775(A1)揭露一奈米孔裝置，其具有設置於孔 洞二側之二電極。當DNA股逐漸抽拉通過孔時，序列資訊 是於此等電極之間的通道電流中運送。配置如第2圖所示。

類似地，EP1433744(A1)揭露包埋在基板中的奈米 管’該基板具有經處理以通過該管及基板的奈米孔。DNA 10 是藉由當施與電壓時，抽拉該股通過孔且測量該管之二部 分之間的電流而定序。結構如第3圖所示。在此結構中， 施與二電壓——者為界於該奈米管之左及右側之間’以供 獲得序列（例如通過核苷酸之通道電流），另一者與該孔平 行以供抽拉DNA股通過該孔。 15 除了製造此等裝置上可觀的困難（例如第3圖中如何 使孔蝕刻光罩與奈米管對準）之外，上文中所示之以奈米 孔為主的定序裝置的主要缺點為相當大的敏感區城。DNA 股之二鄰近鹼基之間的間距僅為0.34 nm。此意指用於檢測 個別核苷酸之孔的尺寸必須具有相同的大小或甚至更小。 20然而’具有小於1 nm之厚度的奈米孔難以製造，且許多其 他議題，例如材料安定性、絕緣特性不足及極高的電容’ 妨礙此等裝置。 如第2圖所示，電極距離一般遠大於驗基間隔’造成 訊號是孔洞中所有鹼基的平均。因此，單一核苷酸檢測是 200907068 不可能的。相同的狀況亦適用於如第3圖所示的裝置中。 雖米g可具有相當薄的直徑，其從未到達鄰近核普酸 間隔之範圍。 利用既有的以奈米孔為主之定序技術，單—核普酸必 5須重複約50次，接著是至少等長之另一單一核苦酸序列， 才能產生可測量結果。解析度明顯過低。

【發明内容：J 發明概要 根據本發明，提供一種檢測器裝置，包含： 10 基板； 源極區域及汲極區域； 通道區域，位在該源極區域及該汲極區域之間； 奈米孔，其通過該通道區域及其連接該奈米孔之相對 側的流體室； 15 用於提供該流體室之間的偏壓之驅動構件； 用於提供源極及沒極之間電壓VSD的驅動構件；以及 電流感測器’用於感測該源極區域及該汲極區域之間 的電荷流動。 本發明之裝置使用奈米孔以拘限接近感測器之測試下 20 的樣品（例如DNA股之核苷酸）。可使感測器的尺寸類似 鄰近核苷酸的間隔。在此方式中，可避免以PCR為主之技 術的缺點，以及可達到單一核苷酸之解析度。此裝置可提 供感測器與測試下樣品的直接接觸，以致於使離散電容及 電阻所產生之訊號干擾最小化。 200907068 在本發明之一實施態樣中，在對應場效電晶體(FET) 之結構的閘極地區中之奈米孔整合。此一裝置之導電反轉 層具有（次）奈米範圍之厚度，使該裝置成為用於定序DNA 股中僅分隔0.34 nm之核苷酸的理想感測器。 5 在另一實施態樣中，提供量子穿隧電晶體之點區域中 之奈米孔的整合。 基板在鄰近奈米孔處可具有局部較薄的區域，以促進 樣品抽拉通過該奈米孔。局部較薄的區域可具有小於200 nm之厚度，更佳為小於100 nm。 10 較佳地，奈米孔具有小於10 nm之直徑，更佳為小於 5 nm ° 較佳地，每一流體室含有一電解質，以及該驅動構件 汲取該電解質通過該奈米孔。在一實施例中，在該基板之 通道側的該流體室之該電解質接觸絕緣體層。在此例子 15 中，裝置具有電晶體形式的結構，但無閘極接觸。 然而，控制電極可設置在該通道之頂部，具有延伸通 過該控制電極之該奈米孔，以及在該基板之通道側的該流 體室之該電解質接觸位在該控制電極之頂部上的另一絕緣 體層。此控制電極是當成電晶體閘極操作，以及容許在無 20 關於施與該電解質的電位之下，界定該裝置之操作點。 第二驅動構件可設置以供相對於施與該流體室之電 壓，界定源極及/或汲極電壓。此容許裝置操作點之控制 及通過奈米孔之流動的控制。 在一實施例中，該通道區域環繞該奈米孔。源極-汲極 200907068 電流因此可在奈米孔周圍流動，以及奈米孔内的樣品具有 調節此電流的作用。 或者，奈米孔可完全延伸通過該通道區域。在此例子 中，裝置具有作為通過該奈米孔中之該樣品的量子穿隧裝 5 置的功用。 此裝置可進一步包含用於施與通過該奈米孔之變動電 磁場的裝置，該裝置係由激磁電流控制。此提供可由該奈 米孔中之該樣品調節的機制。 此裝置可利用基板來製造，該基板為矽、絕緣基板上 10的矽（在包埋氧化物層上的矽層）、矽/鍵、GaAs/AlGaAs 或其他雜結構或ρηρ (或npn)堆疊，該堆疊具有定義為堆 疊之中間部中部分缺失之η( 或ρ)區域的通道。 本發明亦提供一種製造檢測器裝置之方法’包含： 在基板上形成源極區域及汲極區域，在該源極區域及 15該汲極區域之間具有通道區域； 界定通過該通道區域之奈米孔，以及該通道區域連接 該奈米孔之相對側； 在該奈米孔之相對側形成流體室且於該流體室中充填 電解質； 20 連接驅動構件至該流體室； 連接驅動構件至該源極區域及該沒極區域；、 ’从及 提供用於感測該源極區域及該汲極區域之間恭Υ & 的電流感測器。 & 本發明亦提供使用一裝置檢測DNA核苷龄 平體之方 200907068 法，該裝置包含基板，源極區域及汲極區域，界於該源極 區域及〉及極區域之間的通道區域，以及通過該通道區域之 奈米孔，其中該方法包含對該奈米孔之相對側上的流體室 施與偏壓，藉此抽拉測試下之樣品通過該奈米孔； 5 在該源極區域及該沒極區域之間施與偏壓； 感測該源極區域及該汲_極區域之間之電荷流動，以及 由感測到的電荷流動決定單體形式。 電荷流動可包含經調整之場效電晶體源極-汲極電流 及/或穿隧電流。 10 更一般地，本發明提供一種獲得生物聚合物之序列資 訊之方法，其係藉由使該生物聚合物垂直地移動通過具有 小於1 nm厚度之薄導電性層，以及測量藉由緊鄰該層之個 別核苷酸以獨特方式調整之電流，以及由電流測量值推衍 出序列資訊。 15 薄導電性層可藉由導電性基板中的反轉層，藉由例如

Se/Ge或GaAs/AlGaAs之半導體雜結構之二維電子氣體， 或藉由npn或pnp結構中藉由逆向偏壓pn或np接面產生 的部分缺失之p或η型導電性層所形成。 圖式簡單說明 20 本發明現將參考附帶圖式詳細地描述，其中： 第1圖以簡化形式顯示已知奈米孔檢測器； 第2圖顯示已知形式之奈米孔檢測器的構造； 第3圖顯示另一已知形式之奈米孔檢測器的構造； 第4圖顯示反轉通道之電荷密度圖； 11 200907068 第5a圖至第5f圖顯示本發明之裝置的第一實施例； 第6a圖至第6b圖顯示裝置及樣品中能量圖形的例子； 第7a圖至第7d圖顯示本發明之其他實施例； 第8a圖及第8b圖顯示可如何形成奈米孔； 5 第9a圖及第9b圖顯示本發明之裝置的第四實施例； 以及 第10a圖至第10g圖顯示描述奈米孔裝置之製造的範 例方法流程。 【實施方式3 10 本發明將奈米孔結合入對應電晶體之閘極的結構中， 該電晶體例如為場效電晶體或量子井電晶體裝置。 FET電晶體之導電反轉層具有（次)奈米範圍之厚度， 其其成為用於定序在DNA股中僅相隔0.34 nm之核苷酸的 理想感測器。第4圖顯示反轉通道之電荷密度圖。在第4 15 圖中，d表示與石夕/氧化物界面之距離（以nm表示）。在半 最大值處之波峰寬度明顯低於1 nm。 第5a圖顯示本發明之用於DNA定序之奈米孔FET之 第一實施例的操作原理。頂視圖顯示於第5b圖中，標示出 源極（S)、汲極(D)及閘極（G)，以及奈米孔54之位置。 20 如第5a圖所示，本發明之裝置對應場效電晶體，其具 有設有源極區域及汲極區域S、D及覆蓋於上方的閘極氧化 物層52之基板50。在下述說明中，此結構稱為電晶體，因 為其具有許多與電晶體共同的構造，但具有不同的閘極設 計，例如（在一些實施例中）沒有圖案化閘極。因此，使 12 200907068 用專門術語“電晶體”應可被瞭解。然而，此結構可利用 對傳統電晶體製造方法進行些微改良或額外步驟來製造。 電晶體之通道地區延伸於該源極與該汲極之間，以及 設有奈米孔54。奈米孔耦合含有電解質之上部室及下部室 5 56、58。奈米孔具有僅稍微大於核苷酸尺寸的直徑（亦即 小於5 nm )。 電晶體之閘極電壓係由上部室之電解質電壓提供，而 非由圖案化閘極提供。除此之外，電晶體之結構是習用的， 且可使用許多不同的FET設計。 10 偏壓是藉由與電極62聯結之電壓源極60提供至流體 室之間，以及電流感測器64能夠感測電晶體之源極-汲極 電流。另一電壓源極65 (VSD)亦提供源極汲極電壓。另 一電壓源極可用於控制整體電壓（未顯示）。

藉由在晶胞之上部室及下部室之間施與電壓，使DNA 15 移動通過奈米孔54。此電壓亦作為閘極電壓及設定電晶體 之工作點。通過奈米孔之核苷酸若緊鄰通道，則調節源極-汲極電壓。 利用此設計，解析度及敏感度是如此高以致於可檢測 個別的核苷酸。 20 因為檢測器之感測地區（在垂直方向）係受限於反轉 層的厚度，奈米孔可比上述傳統奈米孔裝置長許多。定序 是以源極-汲極電流的調節為主，而非測量通過孔的電流 (雖然二電流之同步測量可用於電壓控制及回饋）。 大體上，二效果可助長源極-汲極電流之調節： 13 200907068 核誓酸之有 1同電荷的核料可調節閘極電壓。躲DNA -力柄 力已進行許多實驗及理論研究。電子親 觀念亦至氣相中性原子以形成離子所需的能量。 雖缺報料 及提供有關其在溶液中之行為的資訊。 亦即腺〜:中，其依循共同的趨勢：A<G<<C<T， 雷具有最低的電子親合力，胸腺㈣具有最高的 10 15 電，而子親合力值之原子/分子在溶液巾傾向帶負 溶液電子親合力者是帶正電（例如Na.5則m〇K在 同之電子^ ^ ’ Q .3491^°1 (在溶液巾帶負電））。以不 同的帶電^力為基礎’可假設核㈣在水溶液中形成不 層時可μ 股中之Λ等不同電荷，#接近反轉 0導電性通道，因此調節源極-汲極電流，其接著 其，酸序列的資訊。測量單一電荷是相當困難的，尤 二在室溫下，但最近的公開文獻已顯示出是可能的，例 σ若電晶體是在次閾值體制τ操作的話。 穿隧通過核《。由於其不同的電子親合力及形態學 等等，自祕if職㈣至沒極之料電流對每-核芽酸 具有專—性’因此呈現出DNA股之相。穿隨在具有非常 狹乍之通道的裝置中可扮演特殊的角色，其中幾乎整個通 道被孔阻斷。 若通道窄至完全被孔阻斷，裝置可類似單電子電晶體 來操作’具有源極及汲㈣為接觸，孔中的薄氧化^作 20 200907068 為障壁層，以及個別的核苷酸代表被充電/放電的“島”。 上述討論關於單股DNA。在雙股DNA中，第一股之 每一核苷酸係連接至第二股之互補核苷酸（亦即A對T， 及G對C)，因此，藉由垂直閘極電流（通道調整或穿隧） 5 測量之訊號產生成對而非單一之核苷酸的組合特性。當定 序雙股DNA時，可僅分辨二對而非個別的核苷酸。 關於前述步驟之本發明系統的主要區別特徵為： -奈米孔是位在FET之通道或單電子電晶體之島中。 -存在源極-汲極電流之直接調整，無額外的導體及無 10 額外的離散電容。 -數種因素可影響源極-汲極電流：藉由帶電核苷酸之 通道調整，穿隧通過核苷酸，核苷酸為單電子電晶體之一 部分或作為單電子電晶體之島。 第5c圖顯示本發明之第二實施例，其中提供額外的控 15 制閘極70。 與施與頂部及底部室之間的電壓無關，此結構提供對 於閘極電壓的控制。為了避免電化學反應，若控制閘極與 頂部電解質之間的電壓太大，控制閘極藉由介電質72與電 解質隔離，且此係藉由不完全去除控制閘極之頂部上的被 20 動層或中間金屬介電層來達成。或者，絕緣介電質可藉由 控制閘極材料之電化學氧化來沈積（例如PVD、CVD)或 生長。在無閘極介電質（類似接面FET(JFET))，結合金屬 控制閘極之低氧化物結構亦是可能的。原則上，控制閘極 之頂部上的絕緣層可省略。理論上，第5a圖中的閘極介電 15 200907068 質52的沈積/生長亦非必須，以及閘極可由電解質直接接 觸（薄化學氧化物自動形成）。 第5d圖顯示類似裝置之頂視圖，但具有二分隔之控制 閘極80 (CG)。在此結構中，閘極之實質部分係與電解質 5 (例如水）接觸，而其外部邊緣被二控制閘極覆蓋。依電 解質與控制閘極之間所施與的電壓而定，實際通道寬度可 觀地小於源極-汲極接觸之寬度所定義的標稱通道寬度（由 控制閘極覆蓋之區域的下方及其鄰近處之反轉通道的抑 制）。此容許遠比使用電流技術可製得的通道更窄的通道， 10 以及集中電流接近孔區域流動。此增加其對整體電流的相 對影響。在最極端的例子，餘留的通道與孔一般窄，亦即 電流必須完全流動（穿隧）通過核苷酸。此使得此裝置類 似單電子電晶體，具有扮演島之角色的核苷酸，以及在孔 壁之氧化物為障壁層。 15 閘極地區可再由頂部上加工之額外（金屬）閘極（界 於二控制閘極之間）來控制，該額外（金屬）閘極係與電 解質及鄰近控制閘極隔離。此一結構與電解質電壓（未顯 示）無關，容許對於通道寬度及反轉層之最大控制。 第5e圖顯示此一單電子奈米孔FET之另一實施例， 20 具有島90及狹窄之環繞“閘極”地區92。 孔被蝕刻成剛好通過形成單電子電晶體之島90。使島 與通道隔離之單電子電晶體的障壁層可藉由島的不同摻雜 相對於周圍“閘極”地區92來形成，容許島區域中的缺 失，同時由具有反轉層之地域（“主要”閘極地區所環 16 200907068 繞），反之亦然。或者，障壁層係簡單地由孔中的氧化物層 形成。再者，裝置可以有或無控制閘極之方式實施（在此 結構中，控制閘極將在“閘極”地區92之頂部以及島係與 電解質接觸）。 5 第5f圖顯示另一實施例，再次使用藉由極窄通道實現 之通過源極與汲極之間接面的穿隧。 在此例子中，孔完全阻斷導電性通道。 此一穿隧裝置之操作原理將在下文中解釋。 電壓VI及V2 —起定義閘極電極，其定義分別相對於 10 源極區域及沒極區域中費米（Fermi)能階Es及ED之奈米 孔中DNA核苷酸之個別的能階（由EG表示），參見第6a 圖中的能量圖。藉由改變VI及/或V2，EG可相對於Es 及ED移動。 位在導電性通道之高度的孔中之單一核皆酸，如上文 15 中歸納者，作為單電子電晶體中的“島”。若源極、核苷 酸及汲極之能量狀態是正確地對準，亦即Es 2 EG (亦即自 由狀態中之一）2 Ed，則發生共振穿隧，以致於電子可自 源極穿隧通過障壁層（其為例如孔壁上的薄氧化物層）至 核苷酸上，且由該處至汲極。 20 第6b圖為能量圖，其亦顯示導電性通道中之個別的能 階。 此配置具有至少3電壓源極；VI、V2及VSD，以及另 一電壓源極可用於控制整體電壓（未顯示）。 核苷酸（由第6a圖中EG處不同線條所代表）之不同 17 200907068 能量狀態可助長共振穿隧產生電流與例如V2值之間的特 殊關係（亦與VSD有關）。 此測量原理主要是穿隧光譜學。因為四種核苷酸具有 不同的能量狀態，個別的核苷酸有獨特的電流-電壓關係。 5 當抽拉DNA股通過孔，根據個別核苷酸通過導電性通道產 生特殊序列資訊，調整電流-電壓特性。 上述不同的例子顯示可使用固定電壓下（源極、汲極 及閘極）之電晶體電流測量，或可使用穿隧光譜學。藉由 測量不同“閘極”電壓下之穿隧電流（例如相對於裝置中 10 之電壓調整槽電壓V2，亦即在能量圖中相對於Es及ED遷 移EG)，可獲得更多有關與感測器接觸之核苷酸的數據， 容許4核苷酸之間更容易及更可靠的識別力。 塗覆薄介電層，具有任一側被反轉層接觸之核苷酸的 孔的結構，在功效上類似於量子點或單電子電晶體之島。 15 其為電子之受限系統（在此為核普酸），經由穿隧障壁層（在 此為孔之氧化物襯墊）耦合至巨觀電極（在此為與源極及 汲極接觸之反轉層），通過之電子可穿隧進出拘限的體積。 二方法影響穿隧電流：增加電子至點及將點上的電子激發 至更高的能量狀態。第一種方法是由點的電容以及其庫侖 20 充電所控制。若電子添加至點，若點中的能量升高至電極 的電位以上，其能量粗略地增加e2/C ( C為點的電容），造 成電流阻塞。為了在室溫下可目視庫侖阻斷效果（熱能 kBT=25mV)，點電容必須夠小（e2/C > kBT)，其為所提議 之系統的例子。 18 2〇〇9〇7〇68 第二種方法涉及在產生激發_之系統内的電子激 =激發光譜對於能量狀態具有專—性，以及因此核苦 ^在核*酸中能量狀態的分離通常大於熱能，因此其應 5 2下是可區別的）。在第6a_之能量圖中，激發意指 :二階（線條）激發至更高能階（上方線條)。 子 L里子點的運送亦可文到外部磁場的影響。基於電 同^^及激發’觀察到不同的欵應。此等效應預期隨不 在㈣酸而有不同，提供獲得序列資訊之另一種方式。 10在子中’奈米孔是置於（時間依賴性）磁場中，例如 間。<!至Ac電流源極之二亥姆霍兹（Heimh〇itz)線圈之 牙隨電^係相對於磁場及外加電壓來測量。 ^述檢測原理及裝置中的主要元件為薄導電性層，其 β又疋在DNA股中鄰近核芽酸之間間隔的範圍内或更 小。目前穿随裝置之電晶體通道或“電極 15基板中的反轉層形成。或者，形成雜結構之二維電 (2DEG)，例如Si/Ge或GaAs/A1GaAs，可用於作為 性感測器層。與反轉層相較，優點為2DEG在未施與閑极 電壓下已存在，因此在設定V1及π時容許更高的自由 度。因為2DEG是在二材料的界面，以及因此遠離介 20緣體’因為來自半導體/介電界面或其他介電材料中的略 阱處之界面狀態的電荷捕捉/釋放的影響較小，雜訊更句 許多。 °民 再者，對於界面區域的拘限造成通道中個別不同的乾 階（參見第6b圖）’其可使裝置的敏感度增加。個別不^ 19 200907068 的能階亦可利用Si中的反轉層獲得，若si整體材料夠薄的 話，例如<20 nm，因其提供具有分離成個別不同狀態之能 帶的z-方向上拘限（第6b圖中的線條）。此等層可藉由薄 化SOI (彼矽絕緣體（silicon-on-insulator))晶圓之頂部石夕 5 層來達成。 薄導電性層亦可藉由自頂部及底部消耗高摻雜層來形 成，例如pnp結構’其中pn接面二者皆被逆向偏壓，以致 於η-導電層幾乎完全耗盡，除了保留在中間部分的薄通道 以外。 10 第7圖顯不已歸納於上文中之本發明的不同實施例。 第7a圖顯示使用S〇I晶圓製造之薄Si層。在包埋氧 化物層上的_層是以9G表示。若層非常薄，源極及汲極 通道中的能量狀態因為垂直拘限變為個別不同。 在第7b圖中，顯示Si/Ge雜結構，具有形成在二材料 15之間界面的導電性層（通道，2DEG)。此結構亦在源極區 域及沒極區域中產生個別不同的能階。 在第圖中，通道係形成於部分耗盡之pnp堆疊的 層中—Pn接面（形成在底部P-層與中間部η-層之間 以及頂部Ρ_層與中間部Μ之間）被逆向偏壓以耗盡幾乎 2〇所有η層，僅留下中間部中的薄導電性通道。 第7d圖顯示線圈92，對具有顯示於第6a圖之形式的 裝置施與感應磁場。接 _ 有/則置與激磁電流之相及振幅有關 之牙随電抓（任擇地’分離的裝置可用於建立激磁電流Ierr 之1的4目外加电壓及測量電流工的相關性；未顯示）。 20 200907068 以及IS:㈣酸(及感測器通道)之電子狀態， 狀態可足^ 極電流。因為磁場對不同核皆酸的能量 的方法不同的作用，此提供讀取序列之可替換/額外 迷錢之實施/製造的絕大部分步驟是簡單的.除 相同:步驟以外，基本上與既有之CM〇S製程（例如C065 ) 10 力工^顯不於第5a圖中之大部分基本裝置中，此等額外的 =步驟係供減少孔所經過之堆疊的厚度及奈米孔本身的 製中參考第1G圖描述此等步驟（未依比例縿 〜的是，為了清楚起見，僅顯示主要步驟，省略 歹1光阻沈積微影術等標準製程。 15 20 ，始點為接受完整“傳統，，方法流程的裝置/晶圓， =被動層沈積及黏合塾圖案化；此一裝置係顯示於第咖 圖中，標不出所有相關組件（數個組件，例如中間金 :層（_)可由數層不同材料組成；未詳細顯示）。晶圓的 ㈣係局部地薄化/_通道區域65下方，以致於僅有—

Sl基板f層（例如厚度小於⑽肺）餘由在間極氧化物下 方。堆疊愈薄，亦即孔愈短，愈容易使〇财抽拉通過。所 形成之錐形如第53圖中所示。若裝置是在㈣絕緣體 (s山Ci細】論晶圓）上加工，此步驟可容易地完成。 在此例子中，在_整體晶圓期間，包埋氧化物層可 蝕刻擋止層，參見第10b圖。 接著自頂部側（藉由飯刻）局部地去除間極區域令的 21 200907068 被動層（第10c圖），接著去除掉閘極堆疊（第 UU 1¾ ) 〇 若有需要，可去除閘極氧化物及可沈積另一閘極介電層 最終步驟包含孔之蝕刻，例如根據第1〇e圖至第 曰 現的反應圖，以及添附電解質室。 具有小於10nm之直徑及高於1〇之縱橫尺寸比的】 之蝕刻是製造此等裝置之最大挑戰。雖然此等小結 匕 、°傅可利 15 20 用e-束微影術寫出，其難以利用標準CM〇s製程技術實行 第8圖及第i〇e圖至第i〇g圖顯示如何可利用傳統忾 影術獲得小孔。首先，於例如氧化物或氮化物層之硬質光 罩1〇〇中蝕刻出小開口/凹穴（例如方形或圓形）。在第i〇d 圖中，此開口係由蝕刻間極堆疊之後餘留的孔洞所界定。 利用既有的光微影術，可使此孔達到5G nm範圍内的設備 構件尺寸。孔之孔徑進一步利用間隔件1〇2減小，在m〇s 電晶體製造中的標準製程。此製程涉及下述步驟：例如通 過孔及周圍地區之氧化物或氮化物層之均一沈積（第他 圖），接著進行各向異㈣刻，直至在底部開啟小孔徑（第 l〇f圖）。此孔徑係供作孔之後續關的遮罩具有次⑼⑽ 之直徑（第圖）。在選擇材料時，必須小心在遮罩及待 蝕刻之材料之間提供足夠的蝕刻選擇性。 或者’孔可藉由聚焦離子束來鐵孔，或利用製造傳統 奈米孔之已知方法來製備（例如離子/電子束雕刻）。若使 用=緣體晶圓，孔通過之堆疊之最終厚度（亦即孔之 ^化物化物之厚度（減掉敍刻整體基板期間去除 之乳化物）、财絕敎厚度及_氧化轉度。較佳 22 200907068 地，整體厚度小於200 nm。 孔中空白矽表面係在電解質之液態環境中快速氧化， 沿著孔壁形成薄“閘極”氧化物。此顯示於第5a圖中，元 件符號52顯示不同的氧化物層。 5 若有需要，此等絕緣層的厚度可藉由局部氧化來增 加，例如利用雷射束加熱或利用強氧化溶液。再者，可在 孔之任一側上，在頂部及底部沈積額外的介電質（氧化物， 氮化物）。也可使用電化學方法或ALD (原子層沈積）。 如第5c圖所示之具有控制閘極的裝置的加工是非常 10類似的。取代如上述般蝕刻掉閘極堆疊，將孔54蝕刻至剛 好通過閘極及下方通道(在此例子中，定義用於孔的钱刻遮 罩之凹穴及間隔件係在閘極上方的IMD中加工）。然而孔 之縱橫尺寸比（長度相對於直徑）較大（由於間極所添加 之額外層）’以致於更難以蝕刻。 15 20 具有二控制閘極之裝置（第5d圖）可藉由在閘極堆疊 中蚀刻出裂縫來力d ,其完全分隔成二部分，接著沈積薄 絕緣層及關孔。於閘極堆疊巾_出裂縫之後可沈積 用於控制通道的額外金屬接觸(與電解質電壓無關)，例如 e_束微影術）及剝離（後續步驟與前述相同）。 如第7圖所示之褒置係以相同方式加工，但使用則 基板。任擇地’在傳CM0S方法開始時，傳統則（披石夕 絕緣體）基可薄化至小於例如2(W其在如第仍圖所示 之源極區域及及極區域中產生個別不同的能階。類似地， 具有雜結構之裝置係藉由首先沈積雜結構（例如坡&之整 23 200907068 體Si或SOI基板，或彼GaAS及AlGaAs之適當基板），以 及以類似傳統CMOS加工方式加工電晶體來製造。用於基 板薄化及孔蚀刻的最終步驟係與上述相同。相同方法應用 至第7c圖，其中高度η-摻雜之Si層係沈積在p-基板（例 5如藉由磊晶），接著藉由沈積另一 P-摻雜層在頂部。源極及 汲極接觸係利用η-層建立，接觸p-層以逆向偏壓pn接面， 以及獲得狹窄通道。 熟習是項技術者將明白所需之詳細製程，以及已提供 此等製程之概要說明。一些實施例可能不需要標準CM0S 10 流程的所有步驟，例如對於雜結構裝置，不需要延伸植入 物。存在有許多其他方式來製造裝置，其對於熟習是項技 術者而言是慣例。 上述說明不限於MOSFETs之特徵及方法。然而，具 有大量表面及界面電荷及陷阱的此等裝置之介電層造成可 15 觀的雜訊’其可避免核苷酸之微弱訊號的檢測。為了使雜 訊最小化，可使用JFETs。接著利用金屬直接接觸閘極，因 此避免任何氧化物及其特殊問題。再者，藉由電解質或分 隔的（閘極）接觸，接觸及控制金屬。 第9圖顯示以水平奈米孔為特徵之可替代的定序裝 20 置，該奈米孔係包埋於似FinFET的結構中。孔係藉由選擇 性#刻由磊晶生長之Si所圍繞的小SiGe桿所形成。 操作原理基本上與上述裝置相同。與傳統FinFETs不 同地，源極係位在底部及沒極係位在頂部，具有垂直電流 流動。如同第5a圖所示之裝置，“閘極電壓”係藉由結構 24 200907068 之一側上之產生反轉通道1〇4之電解質中的電壓來控制。 必須設定電壓，以致於通道僅在孔之一側形成。此使得能 夠區別任一側的貢獻，能夠檢測進入及離開孔之個別核苷 酸。通過通道之之DNA核苷酸調節源極-汲極電流以及容 ^ 許檢測DNA序列。 第9圖之裝置的製造大體上亦是簡單的。首先，在裸 si晶圓上沈積犠牲材料，例如siG (摻雜以形成源極）及 蝕刻至具有小截面106之長桿，位在基板上，或進入具有 次10 nm直徑之長圓柱體中。接下來，沈積通道材料（低 !〇摻雜S〇 (第％圖中108)，例如藉由磊晶生長，以及平坦 化（任擇的）’接著進行汲極區域之磊晶生長。 接著自堆疊_出，鳍狀結構，以及去除犧牲材料（利 用對si之高選擇性姓刻Ge)，在裝置之中心留下小孔。| 窠之整體長度為1〇〇 nm或更小。藉由薄氧化物層使^表 ^ 面再次被動化。 如第9 b ®麻，汲極係自頂部與—電氣絕緣絲電解 質分隔成左及右隔間的接觸相接觸。 整個裝置可進-步整合入用於輸送腿之微流體系 鍊。 2〇 將電壓施與至左及右隔開之間，其抽拉DNA通過孔 及設定閘極電壓。源極_祕電源接著呈現序列資訊。 本發明對於DNA及其他（生物）聚合物或蛋白質之 定序特別感興趣。雖然在上文中僅已討論單-孔，CMOS 製減術容許製造大陣列之奈来孔邮，使得能以高速大 25 200907068 規模進行平行定序。再者，訊號調整電路，例如放大器、 濾波器及（類比數位轉換器）可設置在相同晶片/晶粒上， 緊鄰感測器裝置。此防止訊號在例如其他至外部放大器之 長連接線路中喪失’以及對於具有充分訊號對雜訊比例之 小A唬的檢測是重要的。此類電路對於個別核苷酸的檢測 及DNA的定序可能是關鍵。 10 為了獲彳于良好的I_VSD光譜，每一核苷酸應保持與“感 測器接觸，谷3午平均訊號以降低雜訊，或在穿随光譜術 中，容許電流光譜在特定電壓（Eg)範圍中測量。每一核 苦酸在感測器中的“滞留，，時間可藉由調節％來增加或控 制’例如使用方形波或鑛齒狀電壓，以及疊置於DC電壓 根據電測量，可使用回饋迴路以控制核苦酸移動通 過孔。 15 本發明之褒置可具有流體室，其為運送dna及電解 貝至檢勒裝置之微流體系統之—部分。亦可在相同晶片 上提供訊號難電路，例如放大器m及ADCs (類比 數位轉換H)。此等訊號調整電路可用於改良檢測到訊號之 訊號對雜訊比例。裝置在單―晶片/晶粒上可結合數種個 別的檢測器裝置。 20 八本發明亦提供用於產生奈米孔之钮刻遮罩的方法，包 含在大凹穴上各向同性沈積遮罩層以及接著各向異性蚀 刻此層，直至中心形成小開口為止。 對於熟習該項技術者㈣，各财同改良將是顯見的。 【闽式簡單說^月】 26 200907068 第1圖以簡化形式顯示已知奈米孔檢測器； 第2圖顯示已知形式之奈米孔檢測器的構造； 第3圖顯示另一已知形式之奈米孔檢測器的構造； 第4圖顯示反轉通道之電荷密度圖； 5 第5a圖至第5f圖顯示本發明之裝置的第一實施例； 第6a圖至第6b圖顯示裝置及樣品中能量圖形的例子； 第7a圖至第7d圖顯示本發明之其他實施例； 第8a圖及第8b圖顯示可如何形成奈米孔； 第9a圖及第9b圖顯示本發明之裝置的第四實施例； 10 以及 第10a圖至第10g圖顯示描述奈米孔裝置之製造的範 例方法流程。 【主要元件符號說明】 12奈米孔 64電流感測器 14聚合物 65電壓源極 50紐 70控制電極 52閘極氧化物層 72絕緣體層(介電質) 54奈米孔 80控制閘極(CG) 56流體室 90島 58流體室 92問極地區 60電壓源極 100硬質光罩 61驅動構件 102間隔件 62電極 104反轉通道 27 200907068 106小截面 108通道材料 D没極區域 Es能階 ED能階 E〇能階 S 源極區域 Vsd電壓 28

Claims (1)

1. 200907068 十、申請專利範圍： 1. 一種檢測器裝置，包含： 基板； 源極區域及〉及極區域， 5 通道區域；位在§亥源極區域及該沒極區域之間， 奈米孔，其通過該通道區域，且其連接住位在該奈 米孔之相對側上的流體室； 驅動構件，用於在該流體室之間提供偏壓； 驅動構件，用於在該源極及該汲極之間提供電壓 10 V§d，以及 電流感測益5用於感測該源極區域與該〉及極區域之 間的電荷流動。 2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該奈米孔通過該基 板。 15 3.如申請專利範圍第2項之裝置，進一步包含位在該通道 區域上之絕緣體層，該奈米孔通過該絕緣體層。 4. 如申請專利範圍第2或3項之裝置，其中該基板在鄰近 該奈米孔處，具有局部較薄的區域。 5. 如申請專利範圍第4項之裝置，其中該局部較薄的區域 20 具有小於200 nm之厚度。 6. 如申請專利範圍第5項之裝置，其中該局部較薄的區域 具有小於100 nm之厚度。 7. 如前述申請專利範圍第1至6項中任一項之裝置，其中 該奈米孔具有小於10 nm之直徑。 29 200907068 8. 如申請專利範圍第7項之裝置，其中該奈米孔具有小於 5 nm之直徑。 9. 如前述申請專利範圍第1至8項中任一項之裝置，其中 每一流體室含有電解質。 5 10.如申請專利範圍第9項之裝置，其中在該通道之一側上 的該流體室之該電解質接觸一絕緣體層。 11. 如申請專利範圍第8項之裝置，進一步在該通道之頂部 包含一控制電極，以及任擇地在該通道與該控制電極之 間具有閘極介電質，該奈米孔延伸通過該控制電極，以 10 及在該基板之一通道側上的一流體室的電解質接觸另 一位在控制電極之頂部的絕緣體層。 12. 如申請專利範圍第11項之裝置，包含位在該通道之相 對側之二分隔的控制閘極，其僅部分覆蓋該通道，其中 該奈米孔延伸通過界於該二控制閘極之間的閘極地 15 區，以及在該基板之通道側上的該流體室之該電解質接 觸位在該二控制閘極之頂部上的另一絕緣體層，在該二 控制閘極之間具有該通道地區。 13如申請專利範圍第12項之裝置，其中在界於該通道之 任一側上之該二控制電極之間的該閘極地區的頂部具 20 有第三控制電極，且與其他二電極隔開，該奈米孔延伸 通過該第三控制電極，以及在該基板之通道側上的該流 體室之該電解質接觸位在該三控制閘極之頂部上的另 一絕緣體層。 14.如前述申請專利範圍第1至13項中任一項之裝置，進 30 200907068 一步包含用於相對於施與流體至之電壓，界定源極及/ 或汲極電壓之第二驅動構件。 15.如前述申請專利範圍第1至14項中任一項之裝置，其 中該通道區域環繞該奈米孔。 5 16.如申請專利範圍第1至14項中任一項之裝置，其中該 奈米孔完全延伸通過該通道區域。 17.如前述申請專利範圍第1至16項中任一項之裝置，進 一步包含用於施與通過該奈米孔之變動電磁場之構 件，該變動磁場係藉由激磁電流控制。 10 18.如前述申請專利範圍第1至17項中任一項之裝置，包 含矽基板。 19. 如申請專利範圍第1至17項中任一項之裝置，包含披 矽絕緣體基板，包含在包埋氧化物層上之矽層。 20. 如申請專利範圍第1至17項中任一項之裝置，包含矽 15 /鍺雜結構。 21. 如申請專利範圍第1至17項中任一項之裝置，包含 GaAs/AlGaAs 雜結構。 22. 如申請專利範圍第1至17項中任一項之裝置，包含pnp 或npn結構，具有分別藉由逆向偏壓pn或np接面所定 20 義之導電性感測器通道，因此部分耗盡中間之η或p 區域。 23. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該奈米孔平行該基 板延伸通過FinFET結構。 24. —種製造檢測器裝置之方法，包含： 31 200907068 在基板上形成源極區域及沒極區域’在該源極區 域與該汲·極區域之間具有通道區域， 界定通過該通道區域之奈米孔，以及該奈米孔連 接該奈米孔之相對側； 5 在該奈米孔之相對側形成流體室，以及以電解質 充填該流體室； 連接驅動構件至該流體室； 連接驅動構件至該源極區域與該汲極區域；以及 提供電流感測為以感測該源極區域與該〉及極區域 10 之間的電荷流動。 25. 如申請專利範圍第24項之方法，進一步包含在該通道 區域上形成絕緣體層，其中該奈米孔係限定通過該絕緣 體層。 26. 如申請專利範圍第24項之方法，進一步包含限定該奈 15 米孔通過該基板。 27. —種用於利用裝置檢測DNA核苷酸單體之方法，該裝 置包含基板、源極區域及汲極區域，界於該源極區域及 該沒極區域之間的通道區域，以及通過該通道區域之奈 米孔， 20 其中該方法包含對位在該奈米孔之相對側上的流 體室提供偏壓，藉此拉伸測試下的樣品通過該奈米孔； 在該源極區域與該汲極區域之間提供偏壓； 感測該源極區域與該ί及極區域之間的電荷流動； 以及 32 200907068 自感測到的電荷流動測定該單體形式。 28. 如申請專利範圍第27項之方法，其中該電荷流動包含 經調郎之場效電晶體源極-汲極電流。 29. 如申請專利範圍第27項之方法，其中該電荷流動包含 5 穿隧電流。 30. —種獲得生物聚合物之序列資訊之方法，其係藉由移動 該生物聚合物垂直通過厚度小於1 nm之薄導電性層， 以及測量藉由鄰近該層之個別核苷酸以獨特方式調整 之電流，以及自該電流測量值推衍出序列資訊。 10 31.如申請專利範圍第30項之方法，其中該薄導電性層係 藉由導電性基板中的反轉層所形成。 32.如申請專利範圍第30項之方法，其中該薄導電性層係 藉由例如Se/Ge或GaAs/AlGaAs之半導體之雜結構之 二維電子氣體所形成。 15 33.如申請專利範圍第30項之方法，其中該薄導電性層係 藉由逆向偏壓pn或np接面，部分耗盡npn或pnp結構 中p或η型導電層所形成。 33